CC BY
47
УДК 622.33.5
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-325-332
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ПОГРУЖНЫМИ ГИДРОУДАРНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ
Леонид Владимирович Городилов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, зав. лабораторией моделирования импульсных систем, тел. (383)205-30-30, доп. 118, e-mail: gor@misd.ru
Дается анализ современного состояния развития техники и технологий бурения скважин погружными ударниками. Рассмотрены достоинства пневмоударных машин, отмечено их ограниченность по глубине бурения и низкий КПД. Обсуждаются преимущества погружных гидроударников: возможность бурения в прочных породах, большая по сравнению с пневмоударным методом глубина скважин (до 2 000 метров и выше), прямолинейность траектории, низкие энергозатраты, экологическая чистота. Отмечено, что погружные гидроударники относятся к динамическому типу машин, в которых движение исполнительного элемента (бойка) реализуется за счет явления гидроудара, генерируемого вследствие прерывания текущего с большой скоростью потока жидкости. Использование объемных гидроударных устройств позволит существенно повысить КПД погружных гидроударников и эффективность бурения. В работе на модели гидроударной системы объемного типа проведены расчеты рабочих циклов погружного гидроударника и влияния на его интегральные характеристики глубины скважин.
Ключевые слова: гидроударник, энергия и частота ударов, КПД, скважина.
ON EFFECTIVENESS OF BOREHOLE DRILLING BY DOWNHOLE HYDRAULIC TOOLS
Leonid V. Gorodilov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Head of Laboratory of Impulse Systems Modeling, phone: (383)205-30-30, extension 118, e-mail: gor@misd.ru
An analysis of the current state of technology development for borehole drilling with downhole hydraulic hammers is provided. The pros and cons of pneumatic impact machines are considered, their limited depth of drilling and low efficiency are also noted. The benefits of downhole hydraulic hammers are discussed: their drilling capacity in solid rocks, significant drilling depths in comparison with the pneumatic impact method (wells up to 2 000 meters deep and more), straight trajectory, low energy consuming, ecological cleanliness. It is noted that downhole hydraulic hammers belong to the dynamic type of machines, in which the motion of the impact tool (striker) is made by hydraulic shock phenomenon generated due to the interruption of liquid flow of high speed. The use of positive-displacement hydraulic hammers increases the efficiency of downhole hydraulic hammers and drilling. The calculations of downhole hydraulic hammers duty cycles and calculations of the impact of well depth on its integral characteristics are conducted on a model of positive-displacement hydraulic hammers.
Key words: hydraulic hammer, percussion energy and frequency, efficiency coefficient, borehole.
Одно из направлений развития буровых технологий, где можно ожидать существенный прогресс, является технология с применением погружных ударных машин [1]. Их достоинства: компактность (легко вписываются в подземные выработки малого сечения), обеспечение достаточной точности бурения по направлению и минимальные потери при передаче энергии удара на забой скважины (ударная машина максимально приближена к забою).
Первые погружные машины ударного действия работали на воздухе (пневмоударники) и появились в конце 30-х гг. прошлого века, а начало их широкого распространения при бурении скважин относится к 50-м гг. и связано с работами Института горного дела СО РАН. Только в 60-х гг. они стали применяться в зарубежной практике. Преимущество пневмоударного способа бурения заключается в том, что энергоноситель - сжатый воздух - доступен и экологически чист. Пневмоударные машины конструктивно просты и не требуют высокой точности в изготовлении. Их развитие и совершенствование идет и в настоящее время, см. например, [2-4].
Однако следует отметить основной недостаток пневмоударников: низкий коэффициент полезного действия - 6...8 %. Поэтому повышение давления сжатого воздуха более чем 1.8 МПа для расширения технологических возможностей, например, по глубине бурения - путь экономически не выгодный. Это доказано зарубежной практикой бурения на высоких давлениях ~3.4 МПа. Основная область его применения - бурение неглубоких (150.200 метров) скважин в широком диапазоне диаметров (60. 500 мм) [3, 4]
Другой широко распространенный тип погружных ударных машин - гидроударники - работает на жидкости, его первые конструкции появились в 40-50-х гг. прошлого века [5]. Для бурения скважин в настоящее время используют гидроударники динамического типа, принцип действия которых основан на эффекте гидроудара, проявляющемся при прерывании потока жидкости [6, 7]. Обзор работ в этом направлении в СКБ «Геотехника» представлен в [7], где указаны области его применения (геологоразведка, крепкие и средней крепости породы, скважины малого диаметра, большие глубины), также сообщается, что «найдены пути создания гидроударных машин с КПД, превышающим 50 %», но вместе с тем отмечается, что КПД существующих машин, замеренные в условиях стенда, моделирующего глубину 2000 м, не превышают 8 %. Разработанные ими гидроударники серий Г59 и Г76 (глубины бурения 700, 800, 1500, 2000 м, энергия удара 5.45 Дж, частота 20.75 Гц) предлагаются на рынке, например, фирмой Финком, Санкт-Петербург.
Работы в этом направлении ведутся и в настоящее время, в отечественной литературе, литературе стран СНГ появляются публикации, посвященные погружным гидроударникам, например [8, 9], однако они не носят столь систематический характер, как это было до 90-х гг. в СКБ «Геотехника».
В последние два десятилетия направление разработки и исследования погружных гидроударников (DTH - Down The Hole) достаточно интенсивно развивается за рубежом. Об этом свидетельствует большое количество новых патентов и исследовательских работ, см. например, [10-14] по этой проблеме.
Отмечается, что 1/10 часть всех буровых работ целесообразно производить с помощью погружных гидроударников.
Шведская фирма Wassara АВ разработала типоразмерный ряд гидроударников двухстороннего действия (боек в течение рабочего цикла всегда движется под действием жидкости) для бурения скважин диаметром от 60 до 254 мм. Известны применения гидроударников Wassara для бурения скважин по всему миру для геотермальных технологий, добычи углеводородного сырья и буровых работ в горном деле. В [12] приводятся результаты испытаний гидроударника Wassara '-150, сравнение его показателей с показателями погружного пневмоударника, данные по расходу воды и ее распределению на собственно бурение и очистку скважины, установка по сбору и очистке воды для ее рециркуляции. Показан более высокий КПД гидроударников и качество пробуренных скважин по сравнению с пневмоударниками. В [13] приводятся результаты математического моделирования в предположении о несжимаемости жидкости гидроударника Wassara W-100. Разработан специальный гаситель ударных волн в воде, колебания давления в которых в течение цикла (по экспериментальным данным) достигает 30 МПа и выше. В [13] описано применение техники гидроударного бурения для проходки геотермальных скважин. Отмечается пионерская роль советских конструкторов в разработке погружных гидроударников.
Перспективы в повышении эффективности погружных гидроударных устройств связывают с увеличением их частоты до 100 и даже 200 Гц [12], что должно увеличить скорость бурения. Одной из проблем таких ударников является то, что их эффективная работа возможна лишь на «чистой» воде. В настоящее время разработаны системы рециркуляции, которые позволяют очищать отработанный буровой раствор и таким образом подавать к ударному устройству чистую воду. Способом, обеспечивающим чистоту подаваемой к устройству жидкости, является разделение потоков жидкости, подаваемых к устройству и для очистки скважин от бурового шлама. Исследования [19] также показывают, что наиболее приемлемый режим работы гидроударных устройств при перепаде давлений, меньшем 6 МПа. Испытания в Южной Корее при бурении в прочных породах (гранитах) показали, что в этом случае существенного улучшения выноса бурового шлама и повышения производительности бурения можно достичь при добавления к промывочной жидкости небольших объемов сжатого воздуха.
Основной недостаток гидродинамических ударных устройств - их низкий КПД, не превышающий 10%, увеличенный расход рабочей жидкости, что в ряде случаев противоречит условиям бурения, например, приводит к размыву стенок скважины в зонах слабых пород. В этом смысле перспективным на наш взгляд является разработка погружных гидроударников объемного типа, принципиальной особенностью которых заключается в наличие в их составе гидроаккумулятора, что несколько усложняет конструкцию, особенно в вертикально направленных вниз скважинах при значительных глубинах бурения. Однако высокий КПД таких машин (до 60-75 %) делает задачу их реализации достаточно привлекательной. Типичным представителем гидроударников объемного типа являются бурильные
головки [5]. Однако они выносные, энергия удара передается на забой скважины через штангу, что ограничивает глубину бурения 20-25 м. Обычно объемные гидроударные устройства имеют замкнутую циркуляцию и работают на минеральном масле или эмульсиях, для выноса шлама из скважины используется отдельный очистной агент, например, вода, воздух или смесь.
В ИГД СО РАН предпринимались попытки создания погружных объемных гидроударников [4,15], работающих на воде или глинистом растворе, однако в связи с недостатком финансирования они были в определенное время прекращены. В последние десятилетия проведен комплекс фундаментальных исследований объемных гидроударных систем, разработаны основы их теории, созданы оригинальные конструкции гидроударных и распределительных устройств [17-19]. Применение результатов этих исследований для разработки погружных гидроударников объемного типа представляется целесообразным и может привести к существенному продвижению в этом направлении.
Отличие функционирования погружных гидроударников от выносных заключается в сложных внешних условия работы первых: возможном высоком гидростатическом давлении (до 50 атм и выше), значительной протяженности напорной и сливной линий, переменном сопротивление на выходе жидкости из устройства, в том числе связанное и с выносом разрушенного материала, конструктивные ограничения на геометрические размеры. В настоящей работе, с использованием программы имитационного моделирования гидроимпульсных систем [20], были проведены численные исследования влияния глубины скважин (длины напорной и сливной линий Ь) на характеристики погружного гидроударного устройства (была использована расчетная схема гидроударной системы двухстороннего действия [21]). Общие параметры системы были взяты из отчета [4]: насос расходом 90 л/мин, КПД = 0.9 при давлении 10 МПа, напорная линия - труба диаметром 30 мм, сливная - кольцевая труба внутренним и внешним диаметром соответственно 60 и 90 мм, боек массой 6 кг с площадями со сторон камер обратного и прямого хода, длинами фаз обратного хода, соответственно, 3 и 9 см2, 3 см (3-9-3); 3 и 11 см2, 6 см (3-11-6); 7 и 15 см2, 9 см (7-15-9). Направление скважин - горизонтальное. Расчетные зависимости характеристик от Ь представлены на рис.
Заметим, что значения показателей гидроударных устройств зависят от объема их рабочих камер, с его увеличением они снижаются. Некоторые из зависимостей имеют не монотонный характер, что может быть следствием колебательных процессов жидкости в гидравлических линиях. Этот эффект больше проявляется при больших размерах рабочих камер, его следует учитывать при проектировании и выборе параметров устройства и системы распределения. КПД и другие характеристики системы снижаются при увеличении длины гидравлических линий L, однако не столь значительно, как например, реальная скорость бурения ^ОР) в [12]. В последнем случае эффективность определяется не только собственно работой гидроударной системы, но и процессами очистки скважины, что не учитывается в расчетах. Вследствие этого в расчетах получены и завышенные значения КПД.
д) е)
Зависимости ударной мощности (Вт) (а) и КПД (б), минимальных и максимальных давлений (Па) за насосом (в, г) и в аккумуляторе (д, е) от длины напорной и сливной линий (длины скважины) Ь (м)
Проведенный анализ показывает перспективность развития технологии бурения скважин с помощью погружных гидроударников. Трудности, с которыми приходится сталкиваться при их применении (необходимость очищения воды, волновые процессы в жидкости в длинных гидравлических линиях и др.) компенсируются их преимуществами по сравнению с другими видами бурения: большой глубиной скважин, прямолинейностью, малыми вибрациями в буровом ставе, высоким КПД. Численное исследование и анализ влияния процессов в гидравлических линиях на динамику и интегральные характеристики гидроударных устройств представляется важной задачей, которая поможет при проектировании таких устройств.
Работа выполнена в рамках проекта ФНИ № гос. регистрации АААА-А17-117122090003-2.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кардыш В. Г. Расширение области эффективного применения базовых технологий бурения // Разведка и охрана недр. - 1991. - № 7. - С. 3-6.
2. Липин А. А. Бурение скважин погружными пневмогидроударными машинами // Изд. Вузов, Строительство. - 2000. - № 12. - С. 62-68.
3. Повышение эффективности и долговечности импульсных машин для сооружения протяженных скважин в породных массивах / Б. Н. Смоляницкий, А. А. Репин, Б. Б. Данилов и др. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2013. - 204 с.
4. Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка погружного гидроударника буровой установки для проходки технологических и дегазационных скважин в крепких породах». «Разработка технической документации на оборудование для лабораторных и стендовых испытаний и изготовление погружного гидроударника».(промежуточный). Государственный контракт 137- ОП - 04п от 09.12.2004 г. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2004.
5. Алимов О. Д., Басов С. А. Гидравлические виброударные системы. - М.: Наука,
1990.
6. Граф Л. Э., Коган Д. И. Гидроударные машины и инструмент. - М. : Недра, 1972. -
206 с.
7. Киселев А. Т., Меламед Ю. А. Гидроударное бурение - итоги и перспективы // Разведка и охрана недр. - 1996. - № 9. - С. 19-22.
8. Калиниченко О. И., Зыбинский П. В., Каракозов А. А. Гидроударные буровые снаряды и установки для бурения скважин на шельфе. - Донецк: «Вебер» (Донецкое отделение), 2007. - 270 с.
9. Латыпов А. С. Перспективы совершенствования гидроударников двойного действия. Труды Международного форума «Наука и инженерное образование без границ». Т. 1. - Ал-маты : КазНТУ им. К. И. Сатпаева, 2009. - С. 306-309.
10. Пат. 7681664 США. Internally dampened percussion rock drill / William N. Patterson, Glenn R. Patterson ; Sandvik Mining And Construction Oy (Финляндия). № 12/150908 ; за-явл.01.05.2008 ; опубл. 23.03.2010. URL: http://www.google.com.tr/patents/US7681664.
11. Пат. 9108311 США. Percussion device / Markku Keskiniva, Juha Piispanen, Mauri Esko; Sandvik Mining And Construction Oy (Финляндия). № 13/259793 ; заявл.24.03.2010 ; опубл. 18.08.2015. URL: http://www.google.com.tr/patents/US9108311.
12. Volker Wittig; Rolf Bracke; Yoon Hyun-Ick. Hydraulic DTH Fluid / Mud Hammers with Recirculation Capabilities to Improve ROP and Hole Cleaning For Deep, Hard Rock Geothermal Drilling// Proceedings World Geothermal Congress 2015 Melbourne, Australia, 19-25 April 2015. pp. 1-9.
13. TUOMAS GORAN. Water Powered Percussive Rock Drilling - Process Analysis, Modelling and Numerical Simulation. PHD Thesis. Lulea University of Technology. Lulea, Dep. of Civil and Environmental Engineering, 2004.
14. Thomson M.J. Hydraulic Hammer Technology to Replace Air Hammer Drilling in Deep BHE Design. Master Thesis. University of Iseland & University of Akureyri & Technical Univesitat Darmstadt. Akureyri. 2011
15. Липин А. А., Белоусов А. В. Погружной гидроударник. // Патент РФ № 2230873. Опубл. БИ - 2004. - № 17.
16. Городилов Л. В. Разработка основ теории гидроударных систем объемного типа для исполнительных органов горных и строительных машин : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Новосибирск, 2010.
17. Городилов Л. В. Исследование динамики гидроударных объемных систем двухстороннего действия. Ч. I. Основные свойства // ФТПРПИ. - 2012. - № 3. - С. 91-101.
18. Голдобин В. А., Городилов Л. В., Маттис А. Р. Способ управления рабочим циклом гидравлической ударной машины // Патент РФ №2182967. Опубл. БИ. - 2002. - № 15.
19. Городилов Л. В., Кудрявцев В. Г., Пашина О. А. Распределитель гидравлических ударных устройств // Патент РФ № 165144. Опубл. БИ. - 2016. - № 28.
20. Городилов Л. В., Вагин Д. В. Архитектура программного обеспечения для моделирования гидравлических приводов горных и строительных машин // Проблемы недропользования. - 2016. - Вып. 3 (10). - С. 48-52.
21. Городилов Л. В. Анализ динамики и характеристик основных классов автоколебательных гидроударных систем объемного типа // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2018. - № 1. - С. 22-30.
REFERENCES
1. Kardisch V.G. Expansion of field of effective use of basic technologies of drilling. //J. « Investigation and protection of subsoil». - 1991. - № 7. - P. 3-6.
2. Lipin A. A. Well-drilling by submersible pneumohydroshock cars/Prod. Higher education institutions, Construction. - 2000. - № 12. - P. 62-68.
3. Increase in efficiency and durability of pulse machines for a construction of extended wells in pedigree massifs / B.N. Smolyanitsky, A. A. Repin, B. B. Danilov, etc. Novosibirsk: Prod. Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 2013. - 204 p.
4. The report on research work "Development of the submersible hydrodrummer of the drilling rig for a driving of technological and vent wells in strong breeds". "Development of technical documentation on the equipment for laboratory and bench researches and production of the submersible hydrodrummer". (intermediate). The public contract 137-OP - 04p of 09.12.2004 Novosibirsk: IGD Siberian Branch of the Russian Academy of Science. 2004.
5. Alimov O.D., Basov S.A. Hydraulic vibroshock systems. M.: Science. - 1990.
6. Graf, L. E., Kogan D. I. Hydroshock machines and tool. M.: Subsoil, 1972. - 206 p.
7. Kiselyov, A. T., Melamed, Yu. A. Hydroshock drilling - results and prospects / //Investigation and protection of a subsoil. - 1996. - № 9. - P. 19-22.
8. Kalinichenko, O. I., Zybinsky, P. V., Karakozov, A. A. Hydroshock boring shells and installations for well-drilling on the shelf. Donetsk: "Weber" (Donetsk office), 2007. 270 p.
9. Latypov, A.P. Prospects of improvement of hydrodrummers of double action. Works of the International forum "Science and Engineering Education without Borders". T. 1. - Almaty, 2009, p. 306-309.
10. Pat. 7681664 USA. Internally dampened percussion rock drill / William N. Patterson, Glenn R. Patterson ; Sandvik Mining And Construction (Finland). № 12/150908, - 23.03.2010. -URL: http://www.google.com.tr/patents/US7681664.
11. Pat. 9108311 USA. Percussion device / Markku Keskiniva, Juha Piispanen, Mauri Esko; Sandvik Mining And Construction (Finland). № 13/259793. - 18.08.2015.
12. Volker Wittig; Rolf Bracke; Yoon Hyun-Ick. Hydraulic DTH Fluid / Mud Hammers with Recirculation Capabilities to Improve ROP and Hole Cleaning For Deep, Hard Rock Geothermal Drilling// Proceedings World Geothermal Congress 2015 Melbourne, Australia, 19-25 April 2015. pp. 1-9.
13. Tuomas Goran. Water Powered Percussive Rock Drilling - Process Analysis, Modelling and Numerical Simulation. PHD Thesis. Lulea University of Technology. Lulea, Dep. of Civil and Environmental Engineering, 2004.
14. Thomson M.J. Hydraulic Hammer Technology to Replace Air Hammer Drilling in Deep BHE Design. Master Thesis. University of Iseland & University of Akureyri & Technical Univesitat Darmstadt. Akureyri, 2011.
15. Lipin, A.A. and Belousov, A.V., RF Patent 2230873 IPC 7 E21V 4/14, Byull. Izobret., 2004, no. 17.
16. Gorodilov L. V. Development of bases of the theory of hydroshock systems of volume type for executive bodies of mining and construction machines: dissertation - Novosibirsk, 2010.
17. Gorodilov L.V. Analysis of the Dynamics of Two-Way Hydropercussion Systems. Part I: Basic Properties, Jornal of Mining Science, 2012, vol. 48, no. 3. pp. 487-496.
18. Goldobin VA., Gorodilov L. V., Mathis A. R. RF Patent 2182967. IPC 7 E21C 37/00, E02D 7/10, Byull. Izobret., 2002, no. 15.
19. Gorodilov, L. V., Kudryavtsev, V. G., Pashina, O. A. RF Patent 165144. IPC 7 F15B 21/12 B25D 9/18 E21V 4/14, Byull. Izobret., 2016, no. 28.
20. Gorodilov L.V., Vagin D.V. Software architecture for simulation the executive bodies hydraulice drives of mining and construction machinery, Problemi nedropolzovaniya. 2016. Vipusk 3(10). - P. 48 - 52.
21. Gorodilov L. V. Analysis of Dynamics and Characteristics of Main Classes of Self-Oscillating Volume-Type Hydraulic Impact Systems, Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2018, Vol. 47, No. 1, pp. 19-27.
© R. B. ropodnnoe, 2018
